PDC钻头单齿切削天然裂缝地层断裂机理

发布时间：2021-08-08 00:14

　　为研究PDC钻头作用下地层断裂机理,以单齿切削含有天然裂缝地层为研究对象,基于弹性力学理论,建立单齿切削下地层应力分布模型,作为裂缝的远场应力;结合切削齿作用力角度和旋转极角,确定作用于裂缝表面的正应力和裂缝倾角,以Ⅱ型起裂方式为断裂模式,给出在两种裂缝表面正应力条件下裂缝尖端的应力强度因子和起裂角模型;通过扩展有限元数值模拟,分析单齿切削下裂缝尖端的起裂特征。结果表明:作用于裂缝的远场应力比例因数随作用力角度和旋转极角之和呈抛物线形式变化;当切削齿作用力方向与地层裂缝方向一致时,裂缝尖端的应力强度因子最大;裂缝尖端的起裂角也随旋转极角变化呈抛物线形式变化。数值模拟结果与理论计算结果有较好的一致性。 

【文章来源】：东北石油大学学报. 2020,44(04)北大核心

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

单齿切削地层受力示意

单齿切削地层简化受力示意

以地层含有一个裂缝的微元为分析对象,假设地层微元含有的闭合裂纹长度为2a,裂缝与垂直方向的夹角为裂缝倾角β,裂缝尖端的起裂角为θ。建立局部直角坐标系,以裂缝中心O为坐标系原点,裂缝方向为x轴,垂直于裂缝方向为y轴(见图3)。此外,旋转极角φ由裂纹所在位置决定,是裂缝与作用力之间的夹角。σ1为裂缝受到的远场垂直方向的主应力,σ2为水平方向的主应力,且λ=σ2/σ1<1。由闭合裂纹受远场应力(式(2-4))可知,裂缝受远场主应力分别为σx和σy,其大小和切削齿作用力角度及旋转极角有关,随裂缝倾角改变,σx和σy改变,需要根据α+φ决定作用于裂缝表面的垂直方向主应力:

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D]. 师访.中国矿业大学 2015



本文编号：3328813